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Vulnérabilité spécifique des forages vis-à-vis des phytosanitaires Modélisation analytique application au Val d’Orléans Présentée par : Myriam DEDEWANOU.

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1 Vulnérabilité spécifique des forages vis-à-vis des phytosanitaires Modélisation analytique application au Val d’Orléans Présentée par : Myriam DEDEWANOU Thèse dirigée par: Ary BRUAND, Stéphane BINET, Hervé NOEL 30 juin 2014 Thèse CIFRE Ecole EGRIN 1

2 Consommation dans le monde Goodplanet.info, 2008 En kg/ha de terre agricole > 10 4, ,5 1, ,4 – 1,1 0 – 0,4 2  Utilisation des phytosanitaires dans l’agriculture => Impact sur les eaux de surface et souterraines 3. Site d’étude4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives2. Méthodologie5. Application DTS1. Contexte

3 Concentrations moyennes en phytosanitaires dans les eaux souterraines Moyenne, par nappe, en 2011 (µg/l) : SOeS d’après la BDRHFV1 du BRGM, Agences de l’eau, Offices de l’eau BRGM, banque de données ADES, 2013, réseaux RCS et RCO Traitement: SOeS, 2013 Seuil de potabilité = 0,1 µg/l Seuil eaux brutes= 2 µg/l  Impact des pratiques sur la ressource en eau souterraine Plus de 0,5(10) Entre 0,1 et 0,5(54) Moins de 0,1(84) Pas de quantification(48) Pas de mesure(26) Nappe avec un seul(40) point de mesure => Pose la question de la vulnérabilité de la ressource 3 3. Site d’étude4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives2. Méthodologie5. Application DTS1. Contexte

4 Vulnérabilité intrinsèque :  Sensibilité des eaux souterraines à la pollution de surface  Caractéristiques physiques du milieu (critères de vulnérabilité)  Contaminant ne réagit pas avec le milieu Vulnérabilité spécifique :  Intègre les propriétés physico-chimiques des contaminants  Notion de temps de transfert des contaminants dans le milieu 4  Vulnérabilité de l’eau souterraine: définitions Risque = Vulnérabilité du milieu souterrain x Aléa (application en phytosanitaire) Approche spatialisée qui relie une source à une cible 3. Site d’étude4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives2. Méthodologie5. Application DTS1. Contexte

5 Aquifère Zone Non Saturée (ZNS) Zone Saturée (ZS) Onéma / Agences de l'eau, 2013Musy et Soutter, 1991 Surface du sol ZONE NON SATUREE ZONE SATUREE Nappes souterraines Frange capillaire Eau Air + Eau Zone racinaire 5  Bassin versant hydrogéologique: Source et cible CIBLE 3. Site d’étude4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives2. Méthodologie5. Application DTS1. Contexte SOURCE

6 BASE DE DONNEES Observations de terrain Méthode la plus utilisée: indices multi- critères Carte de vulnérabilité 6  Outil opérationnel d’évaluation de la vulnérabilité Indice: 3. Site d’étude4. Calibrations & Tests6. Conclusions & Perspectives2. Méthodologie5. Application DTS1. Contexte

7 7  Etude de la vulnérabilité par des méthodes multi-critères Critères de vulnérabilitéTraitementsRésultats Couverture protectrice: → Type de sol → Nature ZNS Profondeur de la nappe Type d’aquifère Type de recharge Conditions d’infiltration Zone Non Saturée (ZNS) Zone Saturée (ZS) Flux Arbre de décisions ou formulations mathématiques: Indice DRASTIC =  c c *C p Méthodes et auteurs :  DRASTIC (Aller et al., 1987)  EPIK(Doerfliger et Zwahlen., 1998)  RISKE(Petelet-Giraud et al., 2001)  SINTACS(Civita., 1994) Indices de vulnérabilité (+) Permet de spatialiser l’information : Indice de vulnérabilité (-) Subjectif, donc difficile à valider i=1 3. Site d’étude4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives2. Méthodologie5. Application DTS1. Contexte

8 8 COST Action 620, Modèle OTC (Origine – Trajet – Cible) selon l’approche européenne (modifié de Goldscheider et al. 2004)  Nouveau concept : Vulnérabilité au forage Estimation des temps de séjour (+) Considération des zones situées entre les points de rejet et les zones de captage (+) Plus pragmatique : validation possible avec les données au captage (-) Difficulté d’estimation des temps de séjour Vulnérabilité de l’aquifère Ecoulement vertical Vulnérabilité au captage Ecoulement horizontal Cible : Captage 3. Site d’étude4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives2. Méthodologie5. Application DTS1. Contexte Source Contaminant

9 9 3. Site d’étude4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives2. Méthodologie5. Application DTS1. Contexte  Estimation des temps de séjour des contaminants dans le sol Outils de modélisation: typologie Composantes du sol et du sous-solModèles de calcul des flux Zone Saturée (ZS) Zone Non Saturée (ZNS) Sol Entrée flux Modèle agronomique Modèle zone saturée Modèle zone non saturée Sortie flux

10 10  Estimation des temps de séjour des contaminants dans le sol  Agriflux (Banton et al., 2003)  MACRO (Larsbo et Jarvis, 2003) Footways (+) Développements avancés des outils de modélisation agronomique (+) Prise en compte des interactions entre matière organique/contaminants (-) Difficile d’évaluer le gain d’une politique agricole sur la qualité de l’eau au captage (-) Peu de couplage avec les écoulements souterrains Outils de modélisation en agronomie Masse infiltrée M i ZNSZNS SOLSOL Footways modifié, 2013 Masse appliquée M 0 3. Site d’étude4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives2. Méthodologie5. Application DTS1. Contexte

11 Modélisation hydrogéologique NumériqueAnalytiqueEmpirique Phénomènes physiques XX- Dimension 3D distribué 1D / 2D semi-distribué Entrée /sortie Hypothèses NombreusesSimplificatricesRéductrices Paramétrisation Complexe ouinon 11  Estimation des temps de séjour des contaminants dans le sous-sol (+) Modélise les temps de séjour au captage (-) Sur-paramétrisation, fonction de la connaissance hydrogéologique du site temps 3. Site d’étude4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives2. Méthodologie5. Application DTS1. Contexte Concentration NASH

12  Peut-on faire le lien entre les activités de surface et les concentrations observées au captage d’eau potable?  Peut-on définir un indice de vulnérabilité spécifique qui puisse être calibré ?  Peut-on spatialiser des zones vulnérables ou à risque pour la qualité de l’eau au captage ? 12  Questions scientifiques 3. Site d’étude4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives2. Méthodologie5. Application DTS1. Contexte

13  Objectif  Développer un outil analytique semi-distribué reliant les pratiques agricoles à la qualité des eaux au captage  Exigences  Utiliser les données issues des bases de données existantes  Définir un indice qui puisse être validé  Pouvoir spatialiser, sur le bassin versant, les secteurs qui participent au dépassement des concentrations au captage  Hypothèses majeures  Somme d’écoulement en 1D  Pas d’échange latéral dans les écoulements souterrains  Flux d’eau constant dans le système Site d’étude4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie

14 Zone Non Saturée (ZNS) Zone Saturée (ZS) L L Captage C(t) Bassin versant A in, M in A 01, M 01 A 0n, M 0n Estimation des paramètres hydrodispersifs pour chacun des réservoirs 14 Lien entre les activités de surface et les concentrations au captage ?  Modèle conceptuel 3. Site d’étude4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie

15 15  Transports advectif et dispersif Lien entre les activités de surface et les concentrations au captage ? 3. Site d’étude4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie Vitesse de filtration => Transport advectif Point d’injection Dispersion transversale t1t2t3 Dispersion longitudinale => transport dispersif Paul W. Grant u : D : => Quel modèle repose sur ces types de transferts ?

16  Equation du transport en 1D: Solution d’advection / dispersion / dégradation Wilson (1978) u, D, , , A, x, M = 7 paramètres sont nécessaires Dont A et x = géométrie M = Apport massique x C(x, t) M, Pe, t et  = 4 paramètres sont nécessaires La géométrie est incluse dans Pe et t 16 A u, M Lien entre les activités de surface et les concentrations au captage ? 3. Site d’étude4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie

17 Réponse impulsionnelle des temps de séjour en sortie de réservoir  Théorie des réservoirs (Danckwerts, 1958) 17  Distribution des temps de séjour des contaminants x Lien entre les activités de surface et les concentrations au captage ? 3. Site d’étude4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie Delmas et Wilhelm modifiée

18 Zone Non Saturée (ZNS) Zone Saturée (ZS) L L 18 Lien entre les activités de surface et les concentrations au captage ?  Modèle conceptuel 3. Site d’étude4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie Bassin versant A in, M in A 01, M 01 A 0n, M 0n Filet d’écoulement (n) Estimation des Captage C(t) t

19 19  Paramètres équivalents par filet d’écoulement Aris (1959) Nombre de Péclet équivalent Temps de séjour équivalent  Distribution des temps de séjour équivalents 3. Site d’étude4. Calibrations & Tests6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie Lien entre les activités de surface et les concentrations au captage ? Filet d’écoulement Paramètres équivalents E1(t) Apport d’eau (Q) et de masse (M) E2(t) E3(t) n

20 Outil DARCI sous ArcGis:  Automatisation du calcul des paramètres équivalents 20  Développé sous ArcGIS en VB.NET (Visual Basic for Application)  Calcul des:  Temps de séjour  Nombres de Péclet par réservoir (ZNS et ZS) et par filet d’écoulement (paramètres équivalents) Lien entre les activités de surface et les concentrations au captage ? 3. Site d’étude4. Calibrations & Tests6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie

21 Utilise la réponse impulsionnelle pour modéliser les concentrations Evolution de la qualité de l’eau au captage 21  Produit de convolution t Q : Flux transitant à travers le système  bilan hydrologique C (µg/l) Lien entre les activités de surface et les concentrations au captage ? 3. Site d’étude4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie Filet d’écoulement Paramètres équivalents E1(t) Apport d’eau (Q) et de masse (M) E2(t) E3(t) C(t)

22 22 Si M d ( x, y ) = 1  carte de vulnérabilité Si M d ( x, y ) variable  carte de risque Peut-on définir un indice de vulnérabilité spécifique qui puisse être calibré ?  Détermination de l’indice de vulnérabilité spécifique 3. Site d’étude4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie Limite arbitraire

23 C(t) Filets d’écoulements géoréférencés permettant de localiser des lieux d’injection qui participent au dépassement du seuil. Lieux d’injection qui participent au dépassement du seuil 23 Peut-on spatialiser des zones vulnérables ou à risque pour la qualité de l’eau au captage ?  Localisation des secteurs contributifs 3. Site d’étude4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie A 01, M 01 A 0n, M 0n Filet d’écoulement (n)

24 24 La méthodologie DTS:  Relie les activités de surface et la qualité au captage  Permet une analyse de vulnérabilité et de risque  Etablit un indice de vulnérabilité  Cible des secteurs sensibles  Tests de la méthodologie DTS sur un site d’étude  Présentation du site  Validation sur une pratique historique: Atrazine  Application sur les pratiques de 2010  Conclusion intermédiaire 3. Site d’étude4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie

25  Le Val d’Orléans – Localisation géographique 4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie3. Site d’étude 25

26  Succession de dépôts sédimentaires d’origine lacustre  Formations géologiques des:  Alluvions de la Loire  Calcaires de Beauce Aquifères Martin, 2007  Le Val d’Orléans – Géologie 4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie3. Site d’étude 26

27 Modifié d’après Martin, 2007 Desprez, 1967 Nappe des calcaires de Beauce  Le Val d’Orléans – Piézométrie de la nappe captée 4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie3. Site d’étude 27

28 Pertes de Loire: 86% - Précipitations efficaces: 14% Binet et al., 2012 pertes de Loire Résurgences Carte des conduits karstiques les plus probables Perte Loire Conduit karstique  Le Val d’Orléans – Système karstique et bilan hydrologique 4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie3. Site d’étude 28 Bilan hydrologique de nombreux auteurs: Chéry, 1983; Livrozet, 1984; Gonzalès, 1991; Lepiller, 2006; Lelonge et Jozja, 2008; Gutierrez et Binet,  1 m

29 Seuil de potabilité 29  Le Val d’Orléans – Qualité des eaux souterraines 4. Implémentation & Tests6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie3. Site d’étude Atrazine aux captages du Val

30 30  3 méthodes d’estimation de Mi en fonction des données:  Données bibliographiques (Flury, 1996) M i : Masse infiltrée sous racinaire: a : Ratio de masse qui s’infiltre  Résultats de modélisation ex: MACRO (Larsbo et Jarvis, 2003): Footways  Données d’observation in-situ M i = a * M 0  Estimation des masses infiltrées Apport de masse en surface : M 0 Flux de masse ZNSZNS Sol a MiMi 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie3. Site d’étude4. Implémentation & Tests

31 31  Estimation des débits Q : Débits transitant à travers le système  bilan hydrologique Q min = m 3 /an; Q moy = m 3 /an; Q max = m 3 /an Bilan hydrologique de nombreux auteurs: Chéry, 1983; Livrozet, 1984; Gonzalès, 1991; Lepiller, 2006 Lelong et Jozja, 2008; Gutierrez et Binet, Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie3. Site d’étude4. Implémentation & Tests

32  Attribution des valeurs de paramètres en zone non saturée 32 Attribution paramètres:  Vd      L Sable Argile / sable Sable / Argile Sable calcaire 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie3. Site d’étude4. Implémentation & Tests Type de sol ( Lassabatere, 2006 )Ѳ sat sol agricole (roujan)0.33 sol sableux (chernobyl)0.31 dépôt fluvioglaciaire (site django reinhardt)0.40

33  Attribution des valeurs de paramètres en zone saturée : Calcaire de Beauce 33 Attribution paramètres:  Vd  n e    L 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie3. Site d’étude4. Implémentation & Tests Captages du Val d’Orléans Conduit karstique Matrice calcaire

34  Calcul des paramètres équivalents spatialisés 34 Base de données Critères de vulnérabilité Couverture protectrice: → Type de sol → Nature de la ZNS Carte piézométrique:  Profondeur nappe  Sens écoulement Type d’aquifère ZONE NON SATUREE ZONE SATUREE Temps moyen séjour (ZNS) Nombre de Péclet (ZNS) Temps moyen séjour (ZS) Nombre de Péclet (ZS) Temps moyen Séjour (Equivalent) Nombre de Péclet (Equivalent) 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie3. Site d’étude4. Implémentation & Tests

35 Temps de séjour relativement courts  Temps de séjour équivalents 35 Valeurs des temps de séjours équivalents contrôlés par la ZNS  Calcul des paramètres équivalents spatialisés 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie3. Site d’étude4. Implémentation & Tests

36  Pe > 1 advection dominante  Pe très élevé > 2000 dans les zones de pertes karstiques Question: risque de pertes non cartographiées => fort impact sur le Péclet 36  Nombre de Péclet équivalent  Calcul des paramètres équivalents spatialisés 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie3. Site d’étude4. Implémentation & Tests

37 37  Test: Résultat d’une réponse impulsionnelle à partir de l’implémentation pré- définie 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie3. Site d’étude4. Implémentation & Tests  Le pic se manifeste autour des temps de séjour allant de 1 à 2 mois  Atténuation rapide des pics jusqu’à une valeur quasi nulle à 12 mois

38  Intensité des pics peut être doublée par la présence de pertes  Tendance à la sous estimation Zone non saturée  DTS 1 : Valeur de paramètres établis suite à la caractérisation du site  DTS 2 : Valeur de paramètres homogènes à tout le secteur : Sable  DTS 3 : Ajout de pertes avec des temps de séjour inférieurs à 1 mois 38  Sensibilité des résultats à la description de la zone non saturée 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie3. Site d’étude4. Implémentation & Tests

39 Application réalisée sur les parcelles de maïs, à un pas de temps mensuel, entre 1960 et M0M0 (+) Ordre de grandeur respecté (+) Si retard de 44 jours (+) Corrélation coefficient de NASH = 70 %  Pour les tests sur l’Atrazine, on choisit a= 0.05 (Flury 1996)  Validation sur une pratique historique : Atrazine 6. Conclusions & Perspectives5. Application DTS1. Contexte2. Méthodologie3. Site d’étude4. Implémentation & Tests

40 40 1. Contexte2. Méthodologie3. Site d’étude4. Implémentation & Tests5. Application DTS6. Conclusions & Perspectives  Conclusions Filet d’écoulement Paramètres équivalents Apport d’eau (Q) et de masse (M) C(t)  Démarche intègre tous les chemins d’écoulement  Etablissement des paramètres équivalents  Développement d’une automatisation : DARCI  Possibilité de la transposer sur d’autres sites  Utilisation des données existantes  Aspect calibré de manière qualitative  Intérêt pour un gestionnaire de la ressource en eau  Article à soumettre Limites de la méthode:  Flux en régime permanant  Valeurs des descripteurs hydrodynamiques constants

41 41  Hiérarchiser l’impact des paramètres sur les résultats de la méthode DTS  Tester la méthodologie avec d’autres solutions analytiques  Valider sur des sites à dominante dispersive (Nombre de Péclet petit) 1. Contexte2. Méthodologie3. Site d’étude4. Implémentation & Tests5. Application DTS6. Conclusions & Perspectives  Perspectives  Opérationnelles  Modèle DTS en cours d’application dans le cadre d’un projet à Chartres  Outil d’aide à la décision et production de scénarios liés aux pratiques agricoles  Scientifiques

42 MERCI DE VOTRE ATTENTION 42


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